stringtranslate.com

Связь энергии и импульса

В физике соотношение энергии -импульса , или релятивистское дисперсионное соотношение , представляет собой релятивистское уравнение , связывающее полную энергию (которую также называют релятивистской энергией ) с инвариантной массой (которая также называется массой покоя) и импульсом . Это расширение эквивалентности массы и энергии для тел или систем с ненулевым импульсом. Его можно записать в виде следующего уравнения:

Это уравнение справедливо для тела или системы , например одной или нескольких частиц , с полной энергией E , инвариантной массой m 0 и импульсом величины p ; константа cскорость света . Он предполагает случай специальной теории относительности плоского пространства-времени [1] [2] [3] и что частицы свободны. Полная энергия представляет собой сумму энергии покоя и кинетической энергии , а инвариантная масса — это масса, измеренная в системе отсчёта центра импульса .

Для тел или систем с нулевым импульсом это упрощается до уравнения массы-энергии , где полная энергия в этом случае равна энергии покоя (также записываемой как E 0 ).

Модель моря Дирака , которая использовалась для предсказания существования антиматерии , тесно связана с соотношением энергии и импульса.

Подключение к E = mc 2

Треугольник Эйнштейна

Соотношение энергия-импульс согласуется со знакомым соотношением масса-энергия в обеих его интерпретациях: E = mc 2 связывает полную энергию E с (общей) релятивистской массой m (альтернативно обозначаемой m rel или m tot ), тогда как E 0 = m 0 c 2 связывает энергию покоя E 0 с (инвариантной) массой покоя m 0 .

В отличие от любого из этих уравнений, уравнение энергии-импульса ( 1 ) связывает полную энергию с массой покоя m 0 . Все три уравнения справедливы одновременно.

Особые случаи

  1. Если тело является безмассовой частицей ( m 0 = 0 ), то ( 1 ) сводится к E = pc . Для фотонов это соотношение, открытое в классическом электромагнетизме XIX века , между лучистым импульсом (вызывающим радиационное давление ) и лучистой энергией .
  2. Если скорость тела v много меньше c , то ( 1 ) сводится к E =1/2м 0 v 2 + м 0 c 2 ; то есть полная энергия тела — это просто его классическая кинетическая энергия (1/2m 0 v 2 ) плюс его энергия покоя.
  3. Если тело покоится ( v = 0 ), т. е. находится в своей системе отсчета с центром импульса ( p = 0 ), мы имеем E = E 0 и m = m 0 ; таким образом, соотношение энергия-импульс и обе формы отношения масса-энергия (упомянутые выше) становятся одинаковыми.

Для общей теории относительности справедлива более общая форма соотношения ( 1 ) .

Инвариантная масса (или масса покоя) является инвариантом для всех систем отсчета (отсюда и название), не только в инерциальных системах отсчета в плоском пространстве-времени, но и в ускоренных системах отсчета, перемещающихся в искривленном пространстве-времени (см. ниже). Однако полная энергия частицы E и ее релятивистский импульс p зависят от системы отсчета; относительное движение между двумя кадрами заставляет наблюдателей в этих кадрах измерять разные значения энергии и импульса частицы; один кадр измеряет E и p , а другой кадр измеряет E и p , где E E и p p , если только между наблюдателями нет относительного движения, и в этом случае каждый наблюдатель измеряет одну и ту же энергию и импульсы. Хотя в плоском пространстве-времени у нас все еще есть:

Величины E , p , E ' , p ' связаны преобразованием Лоренца . Соотношение позволяет обойти преобразования Лоренца при определении только величин энергии и импульса путем приравнивания соотношений в разных системах отсчета. Опять же, в плоском пространстве-времени это означает;

Поскольку m 0 не меняется от кадра к кадру, соотношение энергия-импульс используется в расчетах релятивистской механики и физики элементарных частиц , поскольку энергия и импульс задаются в системе отсчета покоя частицы (то есть E и p как наблюдатель, движущийся с частицей) и измеряется в лабораторных условиях (т.е. E и p определяются физиками элементарных частиц в лаборатории, а не движутся вместе с частицами).

В релятивистской квантовой механике оно является основой построения релятивистских волновых уравнений , поскольку если релятивистское волновое уравнение, описывающее частицу, согласуется с этим уравнением – оно согласуется с релятивистской механикой и является лоренц-инвариантным . В релятивистской квантовой теории поля она применима ко всем частицам и полям. [4]

Происхождение и вывод уравнения

Соотношение энергия-импульс восходит к статье Макса Планка [5] , опубликованной в 1906 году. Оно использовалось Уолтером Гордоном в 1926 году, а затем Полем Дираком в 1928 году в форме , где V – количество потенциальной энергии. [6] [7]

Уравнение можно получить разными способами, два из самых простых:

  1. Из релятивистской динамики массивной частицы:
  2. Путем оценки нормы четырехимпульса системы . Этот метод применим как к массивным, так и к безмассовым частицам и может быть распространен на многочастичные системы с относительно небольшими усилиями (см. § Многочастичные системы ниже).

Эвристический подход для массивных частиц

Для массивного объекта, движущегося с трехскоростью u = ( u x , u y , u z ) с магнитудой | ты | = u в лабораторной системе : [1]

- полная энергия движущегося объекта в лабораторной системе координат,

— трехмерный релятивистский импульс объекта в лабораторной системе координат с магнитудой | р | = п . Релятивистская энергия E и импульс p включают фактор Лоренца , определяемый следующим образом:

Некоторые авторы используют релятивистскую массу , определяемую как:

хотя масса покоя m 0 имеет более фундаментальное значение и в этой статье будет использоваться в первую очередь вместо релятивистской массы m .

Возведение в квадрат 3-импульса дает:

затем, решив для u 2 и подставив в фактор Лоренца, получим его альтернативную форму в терминах 3-импульса и массы, а не 3-скорости:

Включение этой формы фактора Лоренца в уравнение энергии дает:

с последующей перестановкой получается ( 1 ). Устранение фактора Лоренца также устраняет неявную зависимость частицы от скорости в ( 1 ), а также любые выводы о «релятивистской массе» массивной частицы. Этот подход не является универсальным, поскольку безмассовые частицы не рассматриваются. Наивная установка m 0 = 0 будет означать, что E = 0 и p = 0 , и никакое соотношение энергии и импульса не может быть получено, что неверно.

Норма четырехимпульса

Энергия и импульс объекта измеряются в двух инерциальных системах отсчета в пространстве энергии-импульса: желтая рамка измеряет E и p , а синяя рамка измеряет E и p . Зеленая стрелка — это четырехимпульс P объекта, длина которого пропорциональна его массе покоя m 0 . Зеленая рамка — это рамка центра импульса объекта с энергией, равной энергии покоя. Гиперболы показывают, что преобразование Лоренца из одного кадра в другой представляет собой гиперболическое вращение , а Φ и Φ + ηбыстроты синего и зеленого кадров соответственно.

Специальная теория относительности

В пространстве Минковского энергия (деленная на c ) и импульс являются двумя компонентами четырехвектора Минковского , а именно четырехимпульса ; [8]

(это контравариантные компоненты).

Скалярное произведение Минковского ⟨ , ⟩ этого вектора на самого себя дает квадрат нормы этого вектора, оно пропорционально квадрату массы покоя m тела:

Лоренц- инвариантная величина и, следовательно, независимая от системы отсчета . Используя метрику Минковского η с метрической сигнатурой (− + + +) , внутренний продукт равен

и

так

или, в натуральных единицах, где c = 1,

.

Общая теория относительности

В общей теории относительности 4-импульс представляет собой четырехвектор, определенный в локальной системе координат, хотя по определению внутренний продукт аналогичен продукту специальной теории относительности:

в котором метрика Минковского η заменена метрическим тензорным полем g :

решено из уравнений поля Эйнштейна . Тогда: [9]

Выполнение суммирования по индексам с последующим сбором терминов «времяподобного», «пространственно-временного» и «пространственноподобного» дает:

где коэффициент 2 возникает потому, что метрика представляет собой симметричный тензор и используется соглашение о латинских индексах i , j , принимающих пространственные значения 1, 2, 3. Поскольку каждый компонент метрики в целом зависит от пространства и времени; это значительно сложнее, чем формула, приведенная в начале; дополнительную информацию см. в метрическом тензоре (общая теория относительности) .

Единицы энергии, массы и импульса

В натуральных единицах , где c = 1 , уравнение энергии-импульса сводится к

В физике элементарных частиц энергия обычно выражается в единицах электрон-вольт (эВ), импульс в единицах эВ· с -1 и масса в единицах эВ· с -2 . В электромагнетизме и из-за релятивистской инвариантности полезно иметь электрическое поле E и магнитное поле B в одной и той же единице ( Гаусс ), используя систему единиц СГС (гауссова) , где энергия дается в единицах эрг , масса в граммах (г) и импульс в г·см·с -1 .

Энергия также теоретически может быть выражена в граммах, хотя на практике требуется большое количество энергии, чтобы быть эквивалентным массам в этом диапазоне. Например, первая атомная бомба выделила около 1 грамма тепла , а самые крупные термоядерные бомбы выделили килограмм и более тепла. Энергию термоядерных бомб обычно измеряют в десятках килотонн и мегатонн, имея в виду энергию, выделяющуюся при взрыве такого количества тринитротолуола (тротила).

Особые случаи

Система центра импульса (одна частица)

Для тела в системе покоя импульс равен нулю, поэтому уравнение упрощается до

где m 0 – масса покоя тела.

Безмассовые частицы

Если объект безмассовый, как в случае фотона , то уравнение сводится к

Это полезное упрощение. Его можно переписать и другими способами, используя соотношения де Бройля :

если заданы длина волны λ или волновое число k .

Принцип соответствия

Переписав соотношение для массивных частиц как:

и разложение в степенной ряд по биномиальной теореме (или ряду Тейлора ):

в пределе, когда uc , мы имеем γ ( u ) ≈ 1 , поэтому импульс имеет классическую форму pm 0 u , затем в первом порядке по (п/м 0 с)2
(т.е. сохранить термин (п/м 0 с)2 н
для n = 1 и пренебрегая всеми членами для n ≥ 2 ), имеем

или

где второй член — классическая кинетическая энергия , а первый — энергия покоя частицы. Это приближение неприменимо для безмассовых частиц, поскольку для расширения требовалось деление импульса на массу. Между прочим, в классической механике нет безмассовых частиц.

Многочастичные системы

Сложение четырех импульсов

В случае многих частиц с релятивистскими импульсами p n и энергией En , где n = 1, 2, ... (вплоть до общего числа частиц), просто маркирует частицы, измеренные в конкретной системе отсчета, четырех- импульсы в этой системе координат можно добавить;

а потом принять норму; чтобы получить соотношение для системы многих частиц:

где M 0 — инвариантная масса всей системы и не равна сумме масс покоя частиц, если только все частицы не покоятся ( более подробно см. Массу в специальной теории относительности ). Замена и перестановка дают обобщение ( 1 );

Все энергии и импульсы в уравнении зависят от системы отсчета, а M 0 не зависит от системы отсчета.

Рамка центра импульса

В кадре центра импульса (кадре COM) по определению мы имеем:

с учетом ( 2 ), что инвариантная масса также является массой-энергией центра импульса (COM), помимо фактора c 2 :

и это верно для всех кадров, поскольку M 0 не зависит от кадра. Энергии E COM n — это энергии в системе COM, а не в лабораторной системе координат. Однако во многих знакомых связанных системах лабораторный кадр используется как COM-кадр, поскольку сама система не находится в движении, и поэтому все импульсы сводятся к нулю. Примером может служить простой объект (где колебательные моменты атомов компенсируются) или контейнер с газом, в котором контейнер покоится. В таких системах все энергии системы измеряются как масса. Например, тепло в объекте на шкале или сумма кинетических энергий в контейнере с газом на шкале — все они измеряются по шкале как масса системы.

Массы покоя и инвариантная масса

Либо энергии, либо импульсы частиц, измеренные в некоторой системе отсчета, можно исключить, используя соотношение энергии-импульса для каждой частицы:

позволяя выразить M 0 через энергии и массы покоя или импульсы и массы покоя. В конкретном кадре квадраты сумм можно переписать как суммы квадратов (и произведений):

поэтому, подставив суммы, можно ввести их массы покоя m n в ( 2 ):

Энергии можно устранить следующими способами:

аналогично импульс можно устранить следующим образом:

где θnk — угол между векторами импульса pn и pk .

Перестановка:

Поскольку инвариантная масса системы и массы покоя каждой частицы не зависят от системы отсчета, правая часть также является инвариантом (хотя все энергии и импульсы измеряются в определенной системе отсчета).

Волны материи

Используя соотношения де Бройля для энергии и импульса для волн материи ,

где ωугловая частота , а kволновой вектор величины | к | = k , равный волновому числу , связь энергия-импульс может быть выражена через волновые величины:

и привести в порядок путем деления на ( ħc ) 2 :

Это также можно получить из величины четырехволнового вектора

аналогично четырехимпульсу, описанному выше.

Поскольку приведенная константа Планка ħ и скорость света c появляются и засоряют это уравнение, именно здесь естественные единицы особенно полезны. Нормализовав их так, что ħ = c = 1 , получим:

Тахион и экзотическая материя

Скорость брадиона с релятивистской зависимостью энергия-импульс

никогда не может превышать c . Напротив, для тахиона , уравнение энергии-импульса которого имеет вид [10]

Напротив, гипотетическая экзотическая материя имеет отрицательную массу [11] и уравнение энергии-импульса имеет вид

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Клеппнер, Дэниел ; Роберт Дж. Коленков (2010) [1973]. Введение в механику . Издательство Кембриджского университета. стр. 499–500. ISBN 978-0-521-19821-9.
  2. ^ Дж. Р. Форшоу; А.Г. Смит (2009). Динамика и относительность . Уайли. стр. 149, 249. ISBN. 978-0-470-01460-8.
  3. ^ Д. МакМахон (2006). Относительность . Демистифицируется. МакГроу Хилл (США). п. 20. ISBN 0-07-145545-0.
  4. ^ Д. МакМахон (2008). Квантовая теория поля . Демистифицируется. МакГроу Хилл (США). стр. 11, 88. ISBN. 978-0-07-154382-8.
  5. ^ Планк, Макс (1906). «Принципы относительности и основные принципы механики». Verhandlungen der Deutschen Physikalischen Gesellschaft . 8 (7): 136–141.
  6. ^ Гордон, Уолтер (1926). «Эффект Комптона по теории Шрёдингера». З. Физ . 40 : 117–133. дои : 10.1007/BF01390840. S2CID  122254400.
  7. ^ Дирак, Поль (1928). «Квантовая теория электрона». Учеб. Рой. Соц. Лондон сер. А.117 (778): 610–624. Бибкод : 1928RSPSA.117..610D. дои : 10.1098/rspa.1928.0023 .
  8. ^ Дж. Р. Форшоу; А.Г. Смит (2009). Динамика и относительность . Уайли. стр. 258–259. ISBN 978-0-470-01460-8.
  9. ^ Дж. А. Уилер; К. Миснер; К. С. Торн (1973). Гравитация . WH Freeman & Co., стр. 201, 649, 1188. ISBN 0-7167-0344-0.
  10. ^ Г. Фейнберг (1967). «Возможность частиц со скоростью, превышающей скорость света». Физический обзор . 159 (5): 1089–1105. Бибкод : 1967PhRv..159.1089F. дои : 10.1103/PhysRev.159.1089.
  11. ^ ZYWang (2016). «Современная теория электромагнитных метаматериалов». Плазмоника . 11 (2): 503–508. дои : 10.1007/s11468-015-0071-7. S2CID  122346519.